太湖西山岛河流秋季沉积物氮、磷特征及其对水质的响应

华跃洲,杜成栋,何尚卫,李清濯,李 勇,5,潘继征

(1.苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏 苏州 215011;2.江苏省环境科学与工程重点实验室,江苏 苏州 215011;3.中国科学院南京地理与湖泊研究所/ 湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 210008;4.中国科学院大学,北京 100049;5.佛山市南海区苏州科技大学环境研究院,广东 佛山 528200)

湖泊是我国重要的水资源之一,是沿湖工农业稳定发展的基础,是人类活动与发展的热点区域[1]。由于近年来对湖泊流域的过度开发,湖泊水质已受到严重影响,并且外源污染物大量输入湖体,沉降积累于沉积物中,诱导湖泊富营养化、蓝藻暴发等现象发生[2]。

入湖河流是影响湖泊水质并引发蓝藻水华暴发的主要因子[3]。入湖河流中的沉积物会释放营养盐至上覆水中,造成入湖河流的二次污染[4],并诱发湖泊水体的富营养化。太湖湖心区岛上存在大量与太湖直接相连的河流,与环太湖河流相比,这些河流长度较短,河流中的污染物极易输入到太湖水体中。当入湖河流的上游水质显著提升后,河流中的沉积物仍会释放营养盐至上覆水体,进而影响太湖水环境。目前针对太湖流域河流沉积物氮、磷含量特征已开展了诸多研究[5-6],但对太湖岛上入湖河流沉积物氮、磷的含量特征及其水质的影响却关注较少。

选取秋季太湖湖心区西山岛上的入湖河流为研究对象,此时沉积物受水文条件影响较小,能够准确反映出该区域沉积物的污染状况。该研究分析了西山岛入湖河流沉积物总氮、总磷及活性氮、磷含量特征,模拟了沉积物对不同初始浓度氨氮(NH4+-N)与磷酸盐(PO43--P)的吸附-解吸情况;从工程管理的角度出发,研究了入湖河流沉积物对太湖水环境的影响,确定了需水质管控与沉积物疏浚的点位,可为进一步提升太湖水质管理提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

西山岛位于太湖湖心区,总面积为79.80 km2,东西长15 km,南北宽11 km,系太湖第一大岛,也是我国淡水湖泊中最大的岛屿[7]。西山岛四季分明,属亚热带湿润性季风气候区,年均温度约16 ℃,降水量为1 000～1 500 mm。西山岛整体属于中间高、周边低的丘陵型地区,岛心为西山岛最高缥缈峰。西山岛经济以农业为主,农用面积约为36.58 km2[8]。

各点位河流水资源主要通过泵站从太湖进行调度,由于入河污染物主要来源不同,各点位河流污染程度存在差异。西山岛各入湖河流区域可根据主要污染源的不同分为城镇区、乡村区以及城乡结合区(图1)。城镇区(点位CZ1～CZ6) 位于金庭镇镇区,有统一的生活污水处理设施,但由于人口密度大,污水产生量较大,存在生活污水偷排漏排的现象,该区域河流的主要污染源为居民生活污水;乡村区(点位XC1～XC6)人口密度小,周边无生活污水处理设施,河流周边有农田且无污染防护,主要污染源为农业面源污染;城乡结合区(点位CX1～CX3) 位于城镇与农村的交界处,该区域的河流同时受生活污水与农业面源污染的影响(表1)。

图1 西山岛入湖河流采样点位

1.2 研究方法

1.2.1沉积物样品采集

2020年10月使用彼得逊采泥器采集15条河流0～10 cm的表层沉积物,放入聚乙烯密封袋中并现场混匀,样品冷藏运输至实验室待测。

1.2.2沉积物总氮和总磷含量及活性组分的测定

沉积物样品经风干磨碎后测定其总氮(TN)和总磷(TP)含量[9]。采用分级浸取的方法测定沉积物中的活性氮,即可转化态氮(TTN) 含量[10]。沉积物TTN分为离子交换态氮(IEF-N)、弱酸可浸取态氮(WAEF-N)、强碱可浸取态氮(SAEF-N)与强氧化剂可浸取态氮(SOEF-N)。TTN含量为硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)与NH4+-N 的含量之和。

采用经Huper改进的Psenner连续提取法测定沉积物中的磷形态的含量[11]。沉积物总磷(TP)分为弱吸附态磷(NH4Cl-P)、金属氧化物结合态磷(Fe /Al-P)、钙结合态磷(Ca-P)、残渣态磷(Res-P)与有机磷(OP)。其中活性磷,即生物可利用磷(BAP)含量由w(Fe/Al-P)+w(NH4Cl-P)+ 0.6×w(OP)计算得出[12]。

1.2.3沉积物对NH4+-N与PO43--P的吸附热力学实验

称取过0.15 mm孔径筛的0.50 g沉积物于100 mL离心管中,分别加入50 mL不同浓度的NH4+-N和PO43--P溶液,NH4+-N初始质量浓度(CN0)为0～25.00 mg·L-1,PO43--P初始质量浓度(CP0)为0～10.00 mg·L-1,其中0～5.00 和0～0.40 mg·L-1分别为低CN0和CP0浓度,加盖混匀后在25 ℃黑暗环境下振荡24 h至吸附平衡。取出离心管,在 4 000 r·min-1下离心10 min(离心半径为11 cm),取上清液经0.45 μm孔径醋酸纤维滤膜过滤后测定NH4+-N 和PO43--P浓度[10, 13]。

1.3 数据分析方法

为计算各点位沉积物NH4+-N和PO43--P的吸附-解吸平衡浓度,需进行沉积物吸附量的计算,并结合Henry方程进行线性拟合。

沉积物的吸附量可通过下式计算得到：

Q=V(C0-Ce)/m。

(1)

式(1)中,Q为平衡吸附量,mg·kg-1;V为溶液体积,L;C0为初始质量浓度,mg·L-1;Ce为平衡质量浓度,mg·L-1;m为沉积物的投加量,kg[10]。

Henry方程的数学表达式[14]为

QN=kCe-AN,

(2)

QP=kCe-AP。

(3)

式(2)～(3)中,QN和Qp分别为沉积物NH4+-N和PO43--P的平衡吸附量,mg·kg-1;k为斜率,L·kg-1;AN和AP分别为本底吸附态NH4+-N和PO43--P含量,mg·kg-1。当QN和Qp为0 mg·kg-1时,水体NH4+-N和PO43--P浓度为沉积物吸附-解吸平衡浓度,分别记为CN0和CP0[15]。

利用Excel 2019统计西山岛入湖河流数据,采用Origin 2021进行图表绘制,IBM SPSS 26.0进行方差分析,使用ArcGIS 10.2进行区域图的绘制。

2 结果与讨论

2.1 各点位沉积物总氮和总磷含量

沉积物是水体污染物的重要来源与汇,对于水生生态系统中营养物质的迁移和转化起着至关重要的作用[16]。如图2所示,15个采样点位沉积物w(TN)平均值为 8.97 g·kg-1,其中点位CZ1最低(4.68 g·kg-1),点位XC1最高(15.00 g·kg-1);沉积物w(TP)平均值为2.90 g·kg-1,其中点位CZ1最低(1.32 g·kg-1),点位XC4最高(5.81 g·kg-1)。

图2 沉积物各点位总氮与总磷含量

西山岛入湖河流沉积物TN和TP含量分别超出2020年苏州古城区河流4.33和1.64倍[17],污染更严重。这与西山岛入湖河流周边多为耕地[8],沉积物受沿岸农业面源污染影响较大,沉积物营养物质累积较多有关。

从各分区来看,位于东部城镇区河流沉积物的氮、磷含量普遍低于南部的城乡结合区及西北部的乡村区河流,不同分区的异质性导致了沉积物氮、磷含量的差异。乡村区与城乡结合区受农村面源污染的影响,农药及肥料的低效喷洒导致部分氮、磷通过地表径流汇入河流中,农业面源污染通过沉降、吸附等形式汇入沉积物中,导致内源污染的积累。相较于乡村区与城乡结合区的河流,城镇区河流已经过部分改造,河流岸线以人工硬质岸线为主,因此沉积物污染程度较轻。

依据加拿大安大略省环境与能源部颁布的沉积物能引起底栖动物严重生态毒性的标准值(以下简称为“生态毒性严重级标准值”)[18],14个点位的沉积物TN含量超出生态毒性严重级标准值(4.80 g·kg-1),10个点位的沉积物TP含量超出生态毒性严重级标准值(2.00 g·kg-1)。可见,西山岛入湖河流沉积物氮、磷含量偏高,严重威胁底栖动物的生存。对比太湖沉积物环保疏浚范围的控制标准(高氮污染为≥1.63 g·kg-1,高磷污染为≥0.63 g·kg-1)[19],各点位沉积物TN和TP含量均超出相应的沉积物环保疏浚控制标准值,表明各点位需要进行环保疏浚。

2.2 各点位沉积物中活性氮、磷含量

2.2.1各点位沉积物中活性氮含量

TTN属于沉积物中活跃的氮形态,能够在外界条件发生改变时扩散到上层水体,加重水体的污染程度[20]。秋季西山岛河流沉积物w(TTN)平均值为3.77 g·kg-1,约占沉积物TN含量的45.02%。其中点位CZ2最低(3.14 g·kg-1),点位XC4最高(4.56 g·kg-1)(图3)。

图3 表层沉积物中TTN含量

西山岛各点位沉积物TTN平均含量约为宜兴三氿的10.20倍[6]。西山岛河流沉积物氮释放风险较高,这与西山岛河流沿岸仍存在农田种植且无污染防护的现象有关[6]。各分区间TTN平均含量存在显著差异(P<0.05),且含量从大到小依次为乡村区>城乡结合区>城镇区。这与农田耕作加速土壤的非可转化态氮向TTN转化[21],在地表径流作用下TTN向水体中输移沉降有关。

2.2.2各点位沉积物中活性磷含量

BAP为沉积物潜在的活性磷组分,它反映了沉积物内部的磷释放能力,能够通过生物、化学作用转变为活性磷而影响上覆水体,导致水体的富营养化[22]。西山岛入湖河流w(BAP)平均值为1.29 g·kg-1, 约占TP含量的44.52%(图4)。其中点位CZ1最低(0.23 g·kg-1),点位XC4最高(3.52 g·kg-1)。

图4 表层沉积物中BAP含量

西山岛BAP平均含量为纽约布朗斯克河的5.00倍[23]。西山岛入湖河流磷释放风险较高,这与西山岛高BAP含量的点位主要分布于乡村区,沿岸存在大面积的农用耕地,土壤中的BAP经地表径流作用输送沉降至河流中有关。

2.3 入湖河流沉积物对水质的响应

2.3.1NH4+-N和PO43--P的吸附-解吸平衡点

不同初始浓度各点位沉积物对水体NH4+-N和PO43--P的吸附量见图5。吸附量曲线随初始浓度的增加而逐渐趋于平缓。在低CN0和CP0条件下沉积物出现了解吸现象;而当CN0和CP0分别为20和5 mg·L-1时,沉积物吸附-解吸逐渐平衡,这与沉积物的吸附点位已逐步被NH4+与PO43-占据,导致吸附位点减少有关[24]。

在低浓度范围内,初始浓度与吸附量呈良好的线性关系(R2为0.88～0.99),而高初始浓度下,沉积物对水体NH4+-N和PO43--P的吸附曲线表现为非线性。在低浓度范围内计算NH4+-N及PO43--P在水-沉积物系统中的吸附-解吸平衡点(图6)。各点位沉积物CN0为0.12～1.28 mg·L-1,CP0为0.04～0.49 mg·L-1。当平衡吸附量为0 g·kg-1时,水体平衡浓度高于原位水体浓度,沉积物NH4+-N与 PO43--P处于解吸状态;反之,则处于吸附状态[25]。由图6可见,7个点位的沉积物NH4+-N处于解吸状态,9个点位的沉积物PO43--P处于解吸状态,磷的解吸现象更为严重。

图5 不同初始浓度下各点位沉积物对NH4+-N和PO43--P的吸附-解吸曲线

图6 各点位沉积物的吸附-解吸平衡浓度

2.3.2入湖河流沉积物对太湖水环境的影响

各点位沉积物NH4+-N和PO43--P整体处于释放状态,存在导致太湖水环境恶化的风险。为确定需水质管控与沉积物疏浚的点位,通过模拟实验结果,估算原位水质与水质改善后水体NH4+-N及PO43--P的平衡浓度,并与太湖2020年湖体水质目标值进行对比〔ρ(NH4+-N)为0.50 mg·L-1,ρ(PO43--P)为0.05 mg·L-1〕[26]。图7为初始浓度与平衡浓度的变化曲线。随着初始浓度的增加,沉积物吸附逐渐趋于饱和,曲线斜率逐渐增大。

因低、高浓度下曲线斜率存在差别,而原位NH4+-N和PO43--P浓度及太湖水质目标值均处于低浓度范围。为准确估算达到平衡后水体营养盐的浓度,对低浓度范围内初始浓度与平衡浓度的曲线进行拟合。经计算,初始浓度与平衡浓度线性拟合的整体情况较好(R2为0.74～0.99),因此可根据该线性方程估算经沉积物吸附-解吸后各点位的平衡浓度。

图7 沉积物初始浓度与平衡浓度的关系

表2为经沉积物吸附-解吸平衡后原位NH4+-N和PO43--P的平衡浓度。点位CZ1和CZ5的平衡浓度能够达到太湖水质目标值;点位CZ4的原位水质虽能够稳定太湖水环境,但受沉积物解吸的影响,平衡后水体营养盐浓度反而超出太湖水质目标值。因此,为维持太湖水环境的稳定,点位CZ1和CZ5仅需在原位水质下进行外源管控;而点位CZ4需进行沉积物疏浚或原位覆盖;因吸附-解吸平衡前点位CZ1、CZ4和CZ5的原位NH4+-N和PO43--P浓度已达到太湖水质目标值,这些点位的水质无需进行治理。

表2 原位NH4+-N和PO43--P的平衡浓度

除点位CZ1、CZ4和CZ5外,其他点位的原位水质超出太湖水质目标值且沉积物吸附-解吸平衡后水体NH4+-N和PO43--P浓度仍对太湖水环境存在威胁。为确定水质改善后这些点位沉积物对太湖水环境的影响,将太湖水质目标值作为初始浓度代入拟合方程,以水体NH4+-N和PO43--P的平衡浓度表征沉积物对太湖水环境的影响。根据表3,水质改善后各点位沉积物对上覆水均表现出解吸作用,水体NH4+-N和PO43--P的平衡浓度均超出太湖水质目标值,对太湖水环境存在威胁,因此这些点位需进行水质改善与沉积物疏浚的综合整治。

3 结论

(1)西山岛各点位TN和TP平均含量较高,已超出生态毒性严重级标准值与环保疏浚的控制标准值,沉积物污染严重。

表3 经沉积物吸附-解吸后的平衡浓度

(2)相对于太湖流域而言,西山岛各点位沉积物TTN与BAP存在高释放风险,各分区中乡村区TTN和BAP释放风险较高。

(3)与原位水质相比,7个点位的沉积物NH4+-N处于解吸状态,9个点位的沉积物PO43--P处于解吸状态,磷的解吸现象更为严重。

(4)根据入湖河流沉积物对太湖水环境的影响发现,为维持太湖水环境的稳定,点位CZ1和CZ5在原位水质下仅需进行外源管控,点位CZ4需进行沉积物疏浚或原位覆盖,其他点位需进行水质改善与沉积物疏浚的综合整治。